CN1079499C - 井口驱动器的制动系统 - Google Patents

Abstract

用于控制井下旋转泵抽油杆上能量释放的制动机构，装有安置在从主驱动装置到抽油杆顶端的动力传送线路中的旋转件，要求旋转件以恒定的速度和方向相对于抽油杆顶端转动。旋转件通过可滑脱的离合器驱动流体泵，使得当抽油杆顶端沿正常方向转动时，离合器滑脱而不运转流体泵。然而当抽油杆顶端试图沿相反方向转动时例如在停机或断电时那样，则流体泵操作，将流体泵出液池，然后沿封闭回路流入液池，该回路包括限制流体流量的机构。

Description

井口驱动器的制动系统

发明领域

本发明一般涉及采油工业，具体涉及改进井下旋转泵的安全性，特别是改进在停机或断电时的安全性。

发明背景

过去很多普通油井采用位于井底或靠近井底的井下泵采油，这种泵是用抽油杆驱动的常规往复式泵，该抽油杆又由深井泵驱动装置垂直往复地驱动。

近年来，很多这种老式的往复泵已由先进的旋转驱动空心泵取代。这种旋转泵特别适合开采含有沙和水的原油。

然而因为油井特有的深度，作为在抽油杆顶端的转矩以及井底泵的阻力将使得抽油杆扭曲得像弹簧一样，于是贮存了转矩能。只要一断电或系统停机，这种贮存的转矩能一定将随同泵上的流体位差产生的能量一齐自动释放放出来。如果不对抽油杆的反向旋转速率进行任何控制，则会产生更严重的问题，这些问题如下：

通过减速器、牵引盘和引带轮装置连接到抽油杆上的马达其反转速度可能超过安全限。这种速度往往损坏马达，甚至可能引起爆裂；

一个或两个牵引盘其速度可能超过其极限；

对于精加工的杆伸出驱动器顶部的驱动器装置，其凸出部分可能弯曲和破裂，而且在离心力作用下这些破裂部分可能会飞出装置；

不进行某种形式的制动，抽油杆可能脱开，结果是抽油杆和泵可能掉到井下。

背景技术

1988年3月11日提出并在1988年9月22日公布的文件WO-88/07126公开一种泵浦系统，该系统中，井下泵具有由抽油杆底端转动的转子，该抽油杆的顶端又由主发动机的转矩能转动，并且在该系统中扭力能在操作期间贮存在抽油杆上。提供了一种制动机构来防止在停机或断电时抽油杆上的扭力能太突然的释放。上述制动机构涉及一种复杂而昂贵的座罩，该座罩支持一个带加重件的离心制动器，当转速达到充分高的程度时该制动器磨擦啮合腔壁，由此阻滞轴的转动。

1989年1月10日提出的美国专利4 797 075也与此有关，它公开一种渐进腔井泵，该泵具有超速制动器，用于在反转期间保护齿轮箱。动力源使齿轮箱的输入轴转动，齿轮箱通过一个直角驱动机构驱动向下伸到泵上的抽油杆。离心制动器装在输入轴上。如果泵锁住，动力源则将能量加在杆上，使杆扭曲直到动力源达到其极限。当杆退扭曲时，离心制动器将啮合而耗散能量并降低反转速度。

GB2210931也与此有关，该专利公开一种发动机制动系统，该系统具有吸收动力的齿轮泵，该泵包括一个出口，通过由活塞控制的开口油可以从该出口流到出口孔。当需要制动时，关闭一个开关闭，利用活塞头中的孔在活塞后面的孔內积累压力。活塞后面的压力由可调压力设定阀控制，并作用在比开口面积大的活塞面积上。因此开口减小而使输出油压增加，并由此增大制动转矩。最大输出压力由限位阀控制。

后者所有机构均复杂、成本高而不易操纵，因此需要一种更为简单和可靠的设计。

本发明的概述

由于上述缺点，本发明一个方面的目的是提供一种与旋转泵浦系统联用的制动机构。

具体是，本发明与这样一种泵浦系统连接，在这种系统中，井下泵具有一个由抽油杆下端部转动的转子，该抽油杆的上端部又由主驱动装置提供的转矩能转动，并在操作期间在抽油杆上贮存扭力能。

制动装置用于在停机或断电时防止抽油杆太突然地释放上述扭力能。

其特征在该机构包括：

a)旋转件，如此安装，使得它可以以恒定的速度和方向相对于抽油杆顶端转动；

b)流体泵；

c)装放流体的液池；

d)输入管，使液池中的流体与上述流体泵的入口连通；

e)输出管，使液池中的流体与上述流体泵的出口连通；

f)可调流量控制阀，装在上述一个管上；

g)超越离合器式控制装置，可操作地连接在上述旋转件和上述流体泵之间，使得当抽油杆的顶端沿对应于井下泵正常运转的方向转动时，流体泵不作任何泵送动作，但当抽油杆顶端沿对应于井下泵正常运转方向的相反方向转动时，该流体泵将流体从液池中抽出，然后再克服通过阀的设定而形成的阻力，并返回到上述液池；

由此，如果抽油杆上的贮存能量突然地释放，则能量以可控方式耗散。

另外，本发明提供一种操作泵浦系统的方法，该系统利用：包括定子和转子的井下泵；抽油杆，具有顶端和底端，后者连接于上述转子并支承和转动该转子；主驱动装置，提供转动上述顶端的转矩能；上述方法包括以下步骤：

起动上述主驱动装置使抽油杆顶端转动，因而上述底端转动上述转子，扭力能因此在操作期间贮存在抽油杆上；并且

在停机或断电时使上述贮存的扭力能以缓慢和可控的方式释放；

其特征在于：

使上述扭力能缓慢释放的后一步骤通过以下方法实现：

a)将主驱动装置的动力首先传送到一个旋转件，然后再从该旋转件传送到抽油杆的顶端，使得旋转件以恒定的速度和方向相对于抽油杆顶端转动；

b)经超越离合器使上述旋转件连接于流体泵，使得当抽油杆顶端沿对应于井下泵正常运转的方向转动时，该流体泵不做任何泵送动作，但当抽油杆顶端沿对应于井下泵正常运转方向的相反方向转动时，该流体泵作泵送动作；

c)每当释放上述贮存能时，便使上述贮存能运转流体泵，从而从液池中抽出流体，然后再沿封闭回路送回上述液池；

d)通过限制流过上述回路的流体流量控制上述贮存能的释放速率。

附图的一般说明

附图中示出本发明的一个实施例，在所有图中相同的编号表示相同的部件，这些图是：

图1是本发明制动机构的侧视图；

图2是从图1中箭头2的方向看去的制动机构的端视图。

附图的详细说明

首先参看图1，该图示意性示出本文要说明的制动系统的主要部件，图1中主驱动装置由马达10构成，该马达具有直立轴12，轴上装有牵引盘14。

在图1的左边示出制动机构，该机构包括旋转件16，该旋转件16的顶部装有与牵引盘14准直的牵引盘18。装有使牵引盘14和18相互连接的许多皮带19。旋转件16是平行于轴12的细长轴，它穿过液池20的內部，该液池在其顶端22通向大气并由两个侧壁24(图1中仅见一个侧壁)和两个端壁26构成。底壁28也是液池20的一部分，轴16穿过底壁28，但在穿过处被密封以防止渗漏。

主驱动轴30也穿过液池20的內部，该主驱动轴由密封外壳32可转动地支承。该主驱动轴30适合于支承伸到井下的抽油杆34的顶端。主驱动轴30穿过液池20的底壁28并被适当地密封以防止渗漏。

在优选实施例中，液池20的约三分之二用液压流体36充满。

在液池20的內部在用虚线长方形37表示的位置使轴16和30相互连接。在一种变型例中，轴16和30分别装有一个小齿轮，两个小齿轮啮合，使得轴16和30之间转动比保持恒定(轴彼此反向转动)。另一种变型例涉及在各个轴16和30上配置链轮及啮合两个链轮的链条。在第二种情况下，轴16和30沿相同方向转动。

现在同时参考图1和图2，进一步详细说明制动机构。

从图2可清楚看出，液压泵40在吸入侧与入口管42相通，而在排出侧则与排放管44相通。在排放管44上装有流量控制阀46，该阀可以手动调节，从而确定流过排放管44的液流阻力。管子42和44通过密封开口均与液池20连通。

图2示意示出轴16连接于单向离合器48，该离合器又经挠性连接件50连接于泵40的动力输入轴52上。

单向离合器48也称作超越离合器，它只沿一个转动方向传送动力，在离合器沿相反方向转动时它便“滑脱”。在现在情况下，仅当抽油杆34的顶端沿对应于正常操作的相反方向转动时即在断电或停机时要转动的方向转动时，该离合器才将动力送给泵40。但是在抽油杆沿对应于井下泵正常操作的方向转动时，该离合器滑脱而不能运转流体泵40。

在操作中，每当井下泵在正常操作时，轴16的转动方向是使得没有任何转动运动通过超越离合器48传递到泵40，因此没有任何液压流体被泵入由液池20和管子42、44构成的回路。

然而当因某种原因而使整个泵浦系统停机时，抽油杆34因释放其贮存的转矩能而将进行反转。这种反转又使轴30转动，并通过啮合的齿轮或与链条啮合的链轮又转动轴16。在抽油杆34进行这种反转期间，轴16的转动方向是使得通过超越离合器48向液压泵40提供动力，由此从液池20中经入口管42抽出油，然后使其通过流量控制阀46排出，并排入排放管44。

这样选择流量控制阀46，使得当其基本上全开时可使抽油杆34以较低的转动速率反转。这样，在反转的情况下，油从液池20连续地由泵40泵入封闭回路，该封闭回路包括呈流量控制阀46形式的可调的节流装置。

在图1的右下边，油井外壳的底端60包括井下正排量旋转泵33的定下62和转子64，还包括抽油杆34的底端66。

尽管已在附图中示出本发明的一个实施例并在上面进行了说明，但是技术人员可以明显看出，其中可以进行改变和变型而不违背如权利要求书中说明的本发明的精神实质。

Claims (7)

1.一种供泵浦系统使用的制动机构，该系统中，井下泵(33)具有由抽油杆(34)的底端(66)转动的转子(64)，该抽油杆的顶端又由主驱动装置(10)的转矩能驱动旋转；在操作期间扭力能贮存在抽油杆(34)上，该制动机构用于在停机或断电时防止在抽油杆(34)上的上述扭力能太突然地释放，

其特征在于，该机构包括：

a)旋转件(16)，被安装成使得该旋转件可以以恒定的速度和方向相对于抽油杆(34)的顶端转动；

b)流体泵(40)；

c)装放流体(36)的液池(20)；

d)输入管(42)，使液池(20)中的流体与上述流体泵(40)的入口连通；

e)输入管(44)，使液池(20)中的流体与上述流体泵(40)的出口连通；

f)可调流量控制阀(46)，装在上述其中一个管子(42、44)上；

g)超越离合器式控制装置(48)，该控制装置可操作地连接在上述旋转件(16)和上述流体泵(40)之间，使得当抽油杆(34)的顶端沿对应于井下泵(33)正常运转的方向转动时，流体泵(40)不作任何泵送动作，但当抽油杆(34)的顶端沿对应于井下泵(33)正常操作方向的相反方向转动时，流体泵(40)将流体(36)从上述液池(20)中泵出，然后克服通过阀(46)的设定而形成的阻力返回到上述液池(20)；

由此，如果抽油杆(34)上贮存的能量突然释放，则能量可以可控方式耗散。

2.如权利要求1所述的制动机构，其中，主驱动装置包括大体垂直的支承第一牵引盘装置(14)的第一轴(12)，上述旋转件(16)是细长的大体垂直的支承第二牵引盘装置(18)的第二轴；该制动机构包括绕在上述第一和第二牵引盘装置上的皮带装置(19)；上述控制装置是超越离合器(48)，该离合器使旋转件(16)和流体泵(40)连接，使得在井下泵(33)正常运转期间该离合器(48)滑脱，但万一抽油杆(34)反向转动时，该离合器使旋转件(16)与流体泵(40)啮合。

3.如权利要求2所述的制动机构，还包括另一旋转件(30)，该旋转件支承和转动轴油杆(34)的顶端，该另一旋转件(30)由上述第一次提到的旋转件驱动。

4.如权利要求3所述的制动机构，其中，第一次提到的旋转件(16)通过两个齿轮(37)的啮合驱动上述另一旋转件(30)，一个齿轮固定于第一次提到的旋转件(16)上，而另一齿轮固定于上述另一旋转件(30)上；转动件支承齿轮的部分位于上述液池(20)中；流体(36)是液压流体。

5.如权利要求3所述的制动机构，其中，第一次提到的旋转件(16)通过啮合两个链轮的链条驱动上述另一旋转件(30)，一个链轮固定于第一次提到的旋转件(16)上，而另一个链轮固定于上述另一旋转件(30)上；链条和旋转件支承链轮的部分位于上述液池(20)中；流体(36)是液压流体。

6.如权利要求1～5中任一项所述的制动机构，它与以下装置相结合：

包括定子(62)和转子(64)的井下泵(33)；

抽油杆(34)，具有顶端和底端，该底端连接于上述转子(64)并支承和转动该转子(64)；

主驱动装置(10)，提供转动上述顶端的转矩能，由此在操作期间在抽油杆(34)上贮存扭力能。

7.一种操作泵浦系统的方法，该系统利用：井下泵(33)，包括定子(62)和转子(64)；抽油杆(34)，具有顶端和底端，后者连接于上述转子(64)，并支承和转动该转子；主驱动装置(10)，提供转动上述顶端的转矩能；上述方法包括以下步骤：

操作上述主驱动装置(10)，使抽油杆顶端转动，因而上述底端转动上述转子(64)，由此在操作期间在抽油杆(34)上贮存扭力能；

在停机或断电时使上述扭力能以缓慢和可控方式释放；

其特征在于：

使上述扭力能缓慢释放的后一步骤采用以下方法完成：

a)将主驱动装置(10)的动力首先传送给旋转件(16)，然后从该旋转件(16)传给抽油杆(34)的顶端，使得旋转件(16)可以以恒定的速度和方向相对于抽油杆(34)的顶端转动；

b)经超越离合器(48)使上述旋转件(16)连接于流体泵(40)，使得当抽油杆(34)的顶端沿对应于井下泵(33)正常操作的方向转动时，该流体泵(40)不作任何泵送动作，但当抽油杆(34)的顶端沿对应于井下泵(33)正常运转方向的相反方向转动时，该流体泵(40)将作泵送动作；

c)每当释放上述贮存能量时便使上述贮存能量运转流体泵(40)，从而将流体泵出液池(20)，然后沿封闭回路再泵回该液池；

d)通过限制流过上述回路的流体流量控制上述贮存能的释放速率。

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